(57)【要約】【課題】無線通信システムにおける品質に基づいた周波数ホッピングの方法を提供する。【解決手段】周波数から周波数へとホッピングする無線通信システムにおいて、固定ドウェル間隔および所定の擬似ランダム・ホッピング・シーケンスに従ってホッピングするのではなく、チャネル品質に関係した１つまたは複数の所定のメトリックの測定値に基づいて現在の周波数でのチャネル品質が悪化するときに新しい周波数へとホッピングする、品質に基づいた周波数ホッピング方法が定義される。次の周波数へのホッピングがトリガされたときには、ホッピング先周波数を、送信機および受信機の両方が知っている擬似ランダム・ホッピング・シーケンス内の次の周波数にすることができ、または、通信の信頼性を改善するために、可能な様々なホッピング先周波数でのチャネル品質測定値に基づいて決定することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システムにおいて、連続する周波数でドウェル間隔にわたって送信した後でチャネルの送信周波数を周波数から周波数へとホッピングさせる方法であって、
チャネル品質に関係した少なくとも１つのメトリックの値が、現在の周波数での前記チャネル品質が所定のレベルに悪化したことを示すときに、そうするようにトリガされると前記現在の周波数から次の周波数へとホッピングさせるステップであって、各周波数ホッピングについての前記ドウェル間隔をホッピングごとに異なるものにすることができるステップ
からなる方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、さらに、チャネルの固定周波数空間における複数の周波数の擬似ランダム・シーケンス内の次の値から決定するステップからなる方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法であって、さらに、
測定されたチャネル品質、および／または様々な候補周波数チャネルに関係した１つもしくは複数のスペクトル・ポリシーに従って、利用可能な周波数空間を動的に決定するステップ、及び
前記決定された利用可能な周波数空間へのオフセットをもたらすために擬似ランダム・シーケンスを使用して、前記次の周波数を決定するステップ
からなる方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法であって、さらに、前記次の周波数を、所定数のチャネルの固定周波数空間における複数の周波数の擬似ランダム・シーケンス内の値から決定するステップであって、前記擬似ランダム・シーケンス内の前記値が、所定のレベルよりも良好なチャネル品質を示し、及び／または１つもしくは複数のスペクトル・ポリシーを満たす、チャネル品質に関係した少なくとも１つのメトリックの値を有する周波数チャネルに関係した、前記シーケンス内の前記次の値である方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法であって、さらに、チャネル品質に関係した少なくとも１つのメトリックの値、および／または様々な次の候補周波数に関係した１つもしくは複数のスペクトル・ポリシーに従って、前記次の周波数を選択するステップからなる方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、さらに、前記次の周波数へのトリガに使用される前記少なくとも１つのメトリックの値が、受信信号強度測定値、フレーム誤り率、ビット誤り率、ビット誤り確率、信号対雑音比、および信号対干渉プラス雑音比のうちの１つまたは複数の値である方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、さらに、前記次の周波数へのトリガに使用される前記少なくとも１つのメトリックの値が、前記少なくとも１つのメトリックの瞬間値である方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、さらに、前記次の周波数へのトリガに使用される前記少なくとも１つのメトリックの値が、前記少なくとも１つのメトリックの少なくとも１つの前値を複合した前記少なくとも１つのメトリックの瞬間値である方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、さらに、前記次の周波数へのトリガに使用される前記少なくとも１つのメトリックの値が、前記チャネルが悪化したかどうかを判定するために、１つまたは複数の所定の閾値と比較される方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法であって、さらに、前記現在の周波数での前記チャネル品質に関係した前記少なくとも１つのメトリックの値に関わらず、前記現在の周波数での前記ドウェル間隔が所定の時間を超えたときに、前記現在の周波数から前記次の周波数へとホッピングさせるステップからなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信に関し、より詳細には周波数ホッピング送受信に関する。
【背景技術】
【０００２】
政府契約
本発明は、ＤＡＲＰＡより与えられた契約Ｆ３０６０２−０３−Ｃ−００７９に基づき、政府の支援を受けて実施された。政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
無線ネットワークは、周波数選択性フェージング、熱雑音、重複する時間／周波数で送信する近くの通信源からの干渉など、障害を受ける可能性のあるチャネルを通じた信頼性のある通信を可能にする伝送技術を使用する。周波数ホッピング（ＦＨ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｈｏｐｐｉｎｇ）や直接拡散符号分割多元接続（ＤＳ−ＣＤＭＡ：ｄｉｒｅｃｔ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ  ｃｏｄｅ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｃｃｅｓｓ）などのスペクトル拡散技術は、信号を広い周波数範囲にわたって拡散させて、拡散量に応じた周波数および干渉ダイバーシティをもたらすことによって、これらの効果に対処するのに役立つ。
【０００４】
具体的には、ＦＨは、ある送信時間間隔から次の送信時間間隔へと、広いスペクトル範囲に分布した複数の狭帯域周波数キャリア（以下、周波数と呼ぶ）のセットにわたって送信をホッピングさせる。周波数ホッピング・シーケンスは、デバイスが送信する複数の周波数のシーケンスを定義する。一般に、擬似ランダム周波数ホッピング・シーケンスを使用して、干渉およびフェージング・ダイバーシティ・ゲインを達成する。送信機が所与の周波数にとどまる期間は、ドウェル間隔として知られている。受信機は、ホッピング・シーケンスを認識していると前提され、ドウェル間隔内で時刻同期していなければならない。擬似ランダム周波数ホッピング（以下、ランダム周波数ホッピング（ＲＦＨ：ｒａｎｄｏｍ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｈｏｐｐｉｎｇ）と呼ぶ）の実現は、干渉およびフェージング・ダイバーシティ・ゲインをもたらすことで知られ、民間の携帯電話（例えば、ＧＳＭ）および軍用（例えば、ＳＩＮＣＧＡＲＳ）システムで同様にインプリメントされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＲＦＨには、一定の限界がある。例えば、ドウェル間隔が短い場合、受信機が現在の周波数では良好な状態にあり、かつ次のホッピングで不良なチャネル状態（例えば、深刻なフェージングまたは過剰な干渉）になる場合でも、送信機が次の周波数にホッピングすることがある。ドウェル間隔が長い場合、状態が悪化しているときでも、送信機が現在の周波数にとどまることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、固定ドウェル間隔および所定の擬似ランダム・ホッピング・シーケンスに従ってホッピングするのではなく、チャネル品質に関係した１つまたは複数の所定のメトリック（ｍｅｔｒｉｃ）の測定値に基づいて現在の周波数でのチャネル品質が悪化するときに新しい周波数へとホッピングする、無線通信システムのための、品質に基づいた周波数ホッピング送受信スキームが定義される。次の周波数へのホッピングがトリガされたときには、ホッピング先周波数を、送信機および受信機の両方が知っている擬似ランダム・ホッピング・シーケンス内の次の周波数にすることができ、または、通信の信頼性を改善するために、可能な様々なホッピング先周波数でのチャネル品質測定値に基づいて決定することができる。いつ周波数ホッピングが起こるかについても、またホッピング先周波数についても、送信機および受信機の両方が知る必要があるので、送信機と受信機との間の信号伝達は、両エンドが相互の通信を維持するのに必要な情報の交換をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の説明は、一般的な無線通信ネットワークまたはシステム支援リソース割当てに基づいたものとして記載され、この例示的な状況で説明するが、本明細書に示し記載する例示的な諸実施形態が、単に説明を目的としたものにすぎず、決して制限を目的としたものではないことに留意すべきである。
【０００８】
さらに、以下で使用する場合、用語「端末」は、無線通信ネットワークにおける送信機および受信機から成る通信デバイスを記述しており、モバイル端末、ユーザ機器、加入者、ユーザ、リモート局、移動局、アクセス端末、アクセス・ポイント、基地局などと同義と見なすことができる。
【０００９】
図１は、端末１０１および１０２が互いに直接通信する、例示的なアド・ホック無線通信システムのブロック図である。以下の説明では、端末をノードと呼ぶこともある。端末１０１には、送信機１０３と受信機１０４とが含まれ、端末１０２には、同様に、送信機１０５と受信機１０６とが含まれる。前述したように、周波数ホッピングは、周波数選択性フェージングや、重複する時間および重複する周波数で電力を放出する近くの電力源からの干渉など、通信の品質に影響を及ぼす可能性のある障害に対処するために使用される。従来技術では、図１に適用されているように、端末１０１の送信機１０３が、端末１０２の受信機１０６へと、固定ドウェル間隔にわたって周波数ｆ０で送信し、次いで次のドウェル間隔にわたって別の周波数ｆ１に切り替わる。各ドウェル間隔の間、端末１０２の送信機１０５は、それが受け取っている周波数と概ね固定関係にある異なる周波数で、端末１０１の受信機１０４に送信することができる。前述したように、各ドウェル間隔が終わると、送信機１０３は、送信機および受信機の両方が知っている所定の擬似ランダム・ホッピング・シーケンスに従って、可能な複数の周波数の固定セット内の別の周波数にホッピングする。
【００１０】
図２は、各ドウェル間隔が一定の固定期間Ｌであり、ホッピング・シーケンス内の次の周波数それぞれが所定の擬似ランダム・シーケンスに従って決定される、従来技術の周波数ホッピングを説明する、図１のシステムについての時間対送信周波数グラフの一例を示す。前述したように、この従来技術の周波数ホッピング方法には、ドウェル間隔が短い場合、受信機が現在の周波数では良好な状態にあり、かつ次のホッピングで不良なチャネル状態（例えば、深刻なフェージングまたは過剰な干渉）になる場合でも、送信機が次の周波数にホッピングすることがあるという一定の限界がある。ドウェル間隔が長い場合、状態が悪化しているときでも、送信機が現在の周波数にとどまることがある。
【００１１】
図３は、以下で詳細に論じるように、ホッピング・シーケンス内の次の周波数への遷移が、主たるチャネル状態に関係した１つまたは複数のチャネル品質メトリックの値によってトリガされる、本発明の一実施形態を説明する、図１のシステムについての時間対送信周波数グラフを示す。ゆえに、示したように、各周波数でのドウェル間隔は、一定ではなく、周波数ごとに異なるものにすることができる。さらに、ホッピング先周波数は、送信機および受信機の両方が知っている擬似ランダム周波数ホッピング・シーケンスに従って決定され、あるいは他の因子に基づいて動的に決定することもでき、これについては以下で詳細に論じる。図３では、説明の目的で、ホッピング先周波数シーケンスが図２で使用した例示的な擬似ランダム・シーケンスと同一のものとして示されているが、周波数ごとのドウェル間隔は、主たるチャネル状態に基づいて決定される変数となっている。図４は、周波数ごとのドウェル間隔が主たるチャネル状態に基づいて決定される変数であり、また、後述するように、各ホッピング先周波数も可能な様々な方法に従って別個に決定される、代替的な一実施形態についての時間対送信周波数グラフを示す。ゆえに、図４では異なる周波数シーケンスが示されている。それに応じて、３つの側面、すなわち、（ａ）周波数ホッピングをトリガするために使用される基準、（ｂ）次の周波数の決定、ならびに（ｃ）適用可能な場合、次の周波数および次のホッピングを起こすべき時刻を示す送信機と受信機との間の信号伝達、を考慮すべきである。
【００１２】
この実施形態によれば、ドウェル間隔が固定ではなく、現在のチャネルに関係したチャネル品質情報に応じて該ドウェル間隔を変更できる、周波数ホッピング送受信スキームが定義される。これによって、良好なチャネル状態になる周波数ではドウェル間隔が長くなり、不良なチャネル状態になる周波数ではドウェル間隔が短くなることになる。いくつかのメトリックを使用して、各周波数が一方向通信に使用されるか双方向通信に使用されるかに応じて個々の周波数でのチャネル品質を測定することができる。送信または受信ノードによって記録できる例示的なチャネル品質メトリックには、受信信号強度測定値、フレーム誤り率（ＦＥＲ：ｆｒａｍｅ  ｅｒｒｏｒ  ｒａｔｅ）、ビット誤り率（ＢＥＲ：ｂｉｔ  ｅｒｒｏｒ  ｒａｔｅ）、ビット誤り確率（ＢＥＰ：ｂｉｔ  ｅｒｒｏｒ  ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ）、信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）、および信号対干渉プラス雑音比（ＳＩＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−ｐｌｕｓ−ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）が含まれる。他のメトリックを定義することができ、本明細書で提示する諸実施例は、決して制限を意図したものではない。瞬間メトリック、または瞬間メトリックとそれまでに収集されたメトリックとを複合したものを使用して、チャネル品質を判定することができる。メトリックを複合する場合、平均値関数、分散関数、メジアン関数、最小値関数、最大値関数などの統計関数を、時間、周波数、および／または空間寸法にわたって適用して、チャネル品質を判定することができる。メトリックを複合するための他の関数も考えることができ、前述した関数は、決して制限的なものではない。これで、瞬間メトリックまたは複合メトリックを単一の閾値または一連の複数の閾値と比較して、主たるチャネル品質が十分なものであるかどうかを判定することができる。この判定に基づいて、送信機および／もしくは受信機は、この周波数での送／受信の継続、別の周波数への移動、ならびに／または別の周波数への起こり得る移動を促進するための追加処理（例えば、さらなる周波数での品質の測定）の開始を決定することができる。任意で、特定の周波数において所定の間隔よりも長い時間にわたって送信が継続された後、次の周波数への周波数ホッピングを自動的にトリガすることもできる。
【００１３】
図５のフローチャートを参照すると、チャネル状態に基づいて周波数ホッピングがいつトリガされるべきかを判定する、例示的な一方法が示されている。ステップ５０１では、（１つまたは複数の）新規チャネル品質メトリックの値が到着する。ステップ５０２では、適用される方法が新規に到着した（１つまたは複数の）品質メトリックとそれまでに収集されたメトリックとを複合するかどうかが判定される。メトリックを複合しない場合、ステップ５０３で、そのような新規チャネル品質メトリックＭ１，．．．，Ｍｎの少なくとも１つの値とそれに対応する閾値Ｔ１，．．．，Ｔｎとを比較すると不十分な品質（例えば、ＢＥＲメトリックの場合には閾値よりも大きい、ＳＩＮＲメトリックの場合には閾値に満たない）が示されるかどうかに関して判定される。不十分な品質が判定される場合、ステップ５０４で周波数ホッピングがトリガされる。判定されない場合、システムは、ステップ５０１に戻って、次の（１つまたは複数の）チャネル品質メトリックの値が到着するのを待つ。ステップ５０２で、適用される方法が新規に到着したチャネル品質メトリックの値とそれまでに収集されたメトリックの値とを複合する場合、ステップ５０５で、（１つまたは複数の）新規メトリックが処理されて（例えば、それまでに収集されたメトリックに空間、時間、および／または周波数にわたって統計的平均を実施することによって）、一連の複合メトリックＭ１，．．．，Ｍｎを作り出す。次いで、ステップ５０３で、メトリックＭ１，．．．，Ｍｎの少なくとも１つの値とそれに対応する閾値Ｔ１，．．．，Ｔｎとを比較すると不十分な品質が示されるかどうかが判定される。不十分な品質が判定される場合、やはり、ステップ５０４で周波数ホッピングがトリガされ、方法は、ステップ５０１に戻って、次の（１つまたは複数の）チャネル品質メトリックの値の到着を待機する。ステップ５０３で、メトリックのいずれの値もチャネルの悪化を示さない場合、方法は、ステップ５０１に直接戻って、次の（１つまたは複数の）チャネル品質メトリックの値の到着を待機する。
【００１４】
チャネル状態の悪化または特定の周波数における期間超過に基づいて次の周波数へのホッピングがトリガされたら、送信をどの周波数にホッピングすべきかに関して決定する必要がある。ホッピング先周波数の決定には様々な方法があり、各選択肢が、システムの動作上の前提（例えば、プロトコルの既存のセット、チャネル品質情報の特徴など）に応じて異なる性能を提供する。
【００１５】
第１の方法は、送信機および受信機の両方が知っている、固定周波数空間への周波数オフセットをもたらす擬似ランダム・シーケンスを使用する。例えば、固定周波数空間がＮ個の周波数チャネル（例えば、ｆｏ，ｆ１，．．．，ｆＮ−１）から成る場合、擬似ランダム・シーケンスの次の値に従ってホッピング先周波数がインデックス付けされる。第２の方法は、ホッピングに使用される周波数空間が固定ではない場合に当てはまる。代わりに、主たるチャネル品質、さらに場合によってはスペクトル・ポリシーにも従って、送信のための許容周波数空間を、送信機および受信機が動的に評価かつ折衝することができる。この場合、擬似ランダム・シーケンスを使用して、利用可能な周波数空間へのオフセットをもたらすことによって、ホッピング先周波数を決定することができる。第３の方法は、第２の方法と密接に関係しているが、固定周波数空間へのオフセットとして擬似ランダム・シーケンスを使用しており、送信が高品質チャネルで起こり、かつ／またはポリシー要件を満たすように、送信機が、擬似ランダム・シーケンスへのオフセットを選択する。例えば、擬似ランダム・シーケンスは、次のホッピング先周波数としてｆ５、ｆ１０、ｆ２を示すことがある。送信機は、次の値ｆ５にホッピングするのではなく、代わりに、より良好な品質をもつ周波数ｆ２にホッピングすることができる。第４の方法では、送信機は、新規のホッピング先周波数すべてを（例えば、擬似ランダム・シーケンスに関わらず）選ぶ。ホッピング先周波数は、適切な処理（例えば、平均値、最大値、最小値などの統計的関数）を時間、周波数、または空間にわたって一連のメトリックに適用して、チャネル品質メトリックに基づいて決定することができる。候補周波数は、複合メトリックまたはポリシーに基づいて失格とすることができる。残りの候補周波数セットの中で、最高のチャネル品質をもつ周波数を割り当てる貪欲なアルゴリズム（ｇｒｅｅｄｙ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）を選択することができる。あるいは、送信要件（例えば、所望の帯域幅についてのＣＩＮＲ）を最低限満たす周波数を選択することもできる。品質に基づいた前述の選択アルゴリズムは、単に例示的なものにすぎず、一般的に使用されている当業者に公知の他のチャネル選択アルゴリズムも使用することができる。
【００１６】
以上の例示的な方法での偽似ランダム・ホッピングの使用は、より良好な干渉ダイバーシティおよび干渉の平均化を可能にするが、決定性ホッピング（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ  ｈｏｐｐｉｎｇ）（例えば、巡回ホッピング（ｃｙｃｌｉｃ  ｈｏｐｐｉｎｇ））も使用することができる。遷移時間中、これらの遷移期間にわたって信頼性のある通信を可能にするために、送信機は、短い時間、現在の（すなわち、ホッピング元）周波数およびホッピング先周波数の両方での送信を選択することができる。
【００１７】
送信機が周波数を切り替えるようにトリガされたときに、送信機および受信機を互いに同期させておくために、これらのエンティティ間の信号伝達を起こす必要がある。トリガ基準およびホッピング先周波数の決定に応じて、使用できる様々な信号伝達方法がある。これらには、（１）トリガするための、チャネル品質が悪化していることを信号伝達；品質の悪化を多数のレベルで示すことができ、それによって処理（例えば、他の候補ホッピング先周波数での品質のモニタリングを開始）または動作（ホッピング先周波数への切替え）を各レベルに関係付けることができる；（２）次のホッピング先周波数への遷移、その遷移を起こすべき開始時刻、および／またはホッピング先周波数に関係したパラメータを示すための信号伝達；（３）現在の周波数および可能な１つまたは複数のホッピング先周波数での、送信機または受信機のいずれかによって認められたチャネル品質を共有するための信号伝達；ならびに（４）ホッピング先周波数の決定に利用可能な周波数空間の共通認識を送信機および受信機に動的に維持させる信号伝達が含まれる。
【００１８】
以上の実施形態の説明は、所与のいずれの時点でも通信に単一の周波数の使用が前提とされる場合に当てはまるが、品質に基づいた周波数ホッピングの概念を、通信に多数の周波数が同時に使用される場合（例えば、マルチトーン変調）について一般化することが容易である。この場合、チャネル品質評価は、所与のいずれの時点でも通信に使用される複数の周波数のセットにわたって適用される。さらに、単一のホッピング先周波数の代わりに、ホッピング先周波数セットが決定され、関係した信号伝達は、このホッピング先周波数セットに適用される。
【００１９】
以上の説明は、単一の送信機と受信機との対に適用されるが、ホッピング先周波数セットをペアワイズ（ｐａｉｒ−ｗｉｓｅ）にまたは複数のノードのサブセットにわたって折衝できる、ノードのアド・ホックな近傍へと、この手法を一般化することが容易である。さらに、ノードのアド・ホックな近傍で説明したが、本明細書に記載の手法は、いずれの無線通信システムの伝送にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】２つの端末が互いに直接通信している、従来技術の周波数ホッピング無線通信システムのブロック図である。
【図２】図１の従来技術のシステムにおける送信周波数対時間を示す時間グラフである。
【図３】本発明の一実施形態による送信周波数対時間を示す時間グラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態による送信周波数対時間を示す時間グラフである。
【図５】本発明の一実施形態による、周波数ホッピングをいつトリガすべきか判定する際に実施される諸ステップを示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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